NUAK-Familie SNF1-ähnliche Kinase 1, auch bekannt als AMPK-verwandte Proteinkinase 5 (ARK5), ist ein Enzym, das beim Menschen durch das NUAK1-Gen kodiert wird.

AMP-aktivierte Proteinkinase (AMPK) und AMPK-verwandte Kinasen

Adipositas und Diabetes (DM) bedrohen derzeit die Gesundheit in fast jedem Land der Welt. Eine gestörte Energiebilanz gilt als Hauptursache für Fettleibigkeit und Typ-2-Diabetes. Die AMP-aktivierte Proteinkinase (AMPK) ist eine hochkonservierte Serin/Threonin-Proteinkinase (PK) mit mehreren Substraten und wurde entwickelt. Sie wird als Hauptsensor und Regulator des Energie-Gleichgewichts bezeichnet. AMPK wirkt als Heterotrimer, bestehend aus einer katalytischen Untereinheit (a) und zwei regulatorischen Untereinheiten (b und g), da ihre Aktivität durch einen Anstieg des intrazellulären AMP:ATP-Verhältnisses in Zellen unter metabolischem Stress (z. B. Hypoxie, Hitzeschock und Ischämie) reguliert wird. Es wird berichtet, dass AMPK eine Schlüsselrolle bei der Regulierung des Glukose- und Cholesterinstoffwechsels sowie der Zellproliferation, Zellpolarität und Tumorentstehung durch Reaktion auf metabolischen Stress spielt. Darüber hinaus kann die AMPK-Aktivität auch durch Hormone und Zytokine reguliert werden, was zu Veränderungen im Stoffwechsel führen kann, die wiederum das Tumorwachstum fördern können.

Struktur und Expression

Mitglieder der NUAK-Familie (einschließlich NUAK1 (ARK5) und NUAK2 (SNARK)) enthalten eine Ubiquitin-verwandte Domäne, die sich nahe dem C-Terminus ihrer katalytischen Domäne befindet und für die LKB1-Phosphorylierung und -Aktivierung erforderlich ist. Eine Homologiesuchanalyse der Aminosäuresequenz von ARK5 ergab, dass die Gesamt-Homologie mit dem menschlichen SNARK 55,0 % beträgt. Obwohl AMPK eine Heterotrimer-Funktion hat, ist unklar, ob ARK5 und SNARK ebenfalls als Heterotrimere dienen. Das menschliche ARK5-Protein besteht aus 661 Aminosäuren (etwa 76 kDa). Das Maus-ARK5-Protein enthält voraussichtlich 658 Aminosäuren, während das Ratten-ARK5-Protein ein Polypeptid mit 660 Aminosäuren ist. ARK5-mRNA und -Protein werden im Herzen, in der Niere, im Gehirn, in der Leber und in der Skelettmuskulatur nachgewiesen. Interessanterweise zeigten laut Fisher et al. Western-Blot-Analysen mit selbst hergestellten Antikörpern, dass es zwei prominente ARK5-Banden in der Skelettmuskulatur gab, wobei die untere der beiden Banden das gleiche Molekulargewicht wie AMPK aufwies, was auf eine potenzielle Interaktion von ARK5 mit neuen AMPK-Familienkinasen hindeutet. Die ARK5-Expression steht in engem Zusammenhang mit Matrix-Metalloproteinase 2 (MMP2), MMP9 und S100-Calcium-bindendem Protein A4 (S100A4) und ist eng mit der schlechten Prognose des multiplen Myeloms verbunden. Darüber hinaus steht die ARK5-Expression auch im Zusammenhang mit dem v-raf murinen Sarkomvirus-Onkogen B1 (BRAF)-vermittelten Signalweg. BRAF gilt als neuer Indikator für das Fortschreiten und die Aggressivität des papillären Schilddrüsenkarzinoms. Die Expression von ARK5-mRNA bei Darmkrebs steht im Zusammenhang mit dem Stadium, und das Expressionsniveau von ARK5-mRNA in Lebermetastasen von Darmkrebs ist hoch. Kolorektale Krebszelllinien DLD-1, WiDr, HCT-15, SW620, LoVo, SW480 und SW1116. Allerdings ist ARK5 in differenzierten C2C12-Myotuben höher exprimiert als in undifferenzierten Myoblasten, was darauf hindeutet, dass NAUK/ARK-Proteine mehrere Rollen in verschiedenen Zelltypen haben.

Funktion und Regulation von ARK5

Ähnlich wie andere Mitglieder der AMPK-Familie enthält ARK5 eine hochkonservierte aktive T-Schleife, was auf das Vorhandensein von Upstream-Kinasen hindeutet, die Threoninreste in der katalytischen Domäne phosphorylieren. LKB1 und Akt-Kinase modifizierten Serin 600, modifizierten ARK5-Phosphat an Threonin 211, was seine Kinaseaktivität aktivieren kann. Wie die meisten AMPK-regulierten Kinasen wird die ARK5-Aktivität durch LKB1-Phosphorylierung ihrer T-Cyclothreonine um das 10- bis 20-fache erhöht. Eine aktuelle Studie zeigte, dass die ARK5/SNARK-Immunkomplexaktivität in der Skelettmuskulatur von muskel-spezifischen Lkb1-Knockout-Mäusen unter Verwendung von Antikörpern, die zwischen den beiden Proteinen nicht unterschieden, bei basaler und kontraktiler Stimulation signifikant reduziert war. Dies legt nahe, dass SNARK und ARK5 wichtige Regulatoren von LKB1 in der Skelettmuskulatur sein könnten. Kürzlich haben Matrigel-Invasionstests gezeigt, dass sowohl Überexpression als auch endogenes ARK5 eine starke Akt-vermittelte Aktivität zeigen. Wichtig ist, dass ARK5 bisher das einzige AMPK-Familienmitglied ist, das durch Akt reguliert wird.

Fazit

Die NUAK-Familie ist essenziell für Malignität und Energiestoffwechsel. Weitere Arbeiten sind erforderlich, um den Regulationsmechanismus und die Funktion der NUAK-Familienproteine zu klären. Obwohl die Funktionen der NUAK-Familie nicht vollständig verstanden sind, werden ARK5 und SNARK als potenzielle therapeutische Ziele für die Behandlung von menschlichem Krebs und Stoffwechselerkrankungen wie Adipositas und DM angesehen.

Referenz:

1. Wan-Chun Li; et al. Die Regulation und Funktion der NUAK-Familie. Journal of Molecular Endocrinology (2013) 51, R15–R22